堆肥化过程中有机污染物生物降解的研究进展

石油烃类的降解。石油烃是土壤最普遍的污染物之一，石油对土壤的污染主要是在勘探、开采、运输以及储存过程中引起的，油田周围大面积土壤一般均受到严重污染。石油在土壤中与土粒粘连，影响土壤的通透性，其对土壤的污染程度直接影响到农作物的生长状况。其主要化学成分是烷烃、苯、甲苯、二甲苯和复杂芳香烃，这些物质中有的毒性很大，可能有致癌、致突变、致畸变作用，被列为重点污染物。在利用堆肥化处理石油类污染物过程中，易降解有机物在堆料中所占比例对堆肥化处理效果有很大影响，主要是因为易降解有机物为微生物生长提供充足的C 源和能源，以维持堆料中微生物活性和必要的高温，同时多样的C源为共代谢降解石油类污染物提供了物质基础，增强了堆肥生物降解的潜力。但过多的易降解有机物反而会降低污染物的降解速率，因此需确定1 个适宜的范围，找到最适堆料比将有助于有害废弃物的工程化处理效率。张甲耀等采用高温好氧堆肥化技术，发现当石油烃废弃物/ 易降解有机物(堆料比) 为1/ 30 时为最适堆料比，该条件下废弃物中的石油烃经28d 堆肥化处理后去除率可达59.12 %。石油污染土壤中最常见的芳香烃污染物包括苯、甲苯、乙苯及二甲苯的同系物，利用堆肥化技术对其进行生物修复效果较佳。
Kamnikar将牛粪、羊粪与锯木屑混合制成有机肥，再与被石油污染的土壤按污染土∶有机肥为(3.5～4.0) ∶1比例混合，堆放高度为1.5～1.8m ，中间放置多孔软管以便排水及通气，对1 个约420m3 、被燃料油和柴油污染了的土壤处理结果表明，处理70d 后土壤中未检出苯、甲苯及二甲苯。处理效果好的原因是动物粪便提供了微生物生长必需的营养物，加入锯屑不仅能保持温度，且由于其具有一定的堆积孔隙，提供了O2 、CO2 迁移交换的有利条件。Aldaher R. 等在科威特Burgan 油田采用长条形堆肥法处理原油污染土壤，测定土壤样品中芳香烃含量、微生物种群数量等，在连续运转10 个月后，土壤中的石油污染物基本被降解完全。从堆肥化过程中分离的石油降解菌有Pseudallescheria boydii 、Candida sp. M2322 、真菌、胶菌属( Zoogloes sp. ) 、氮单胞菌属( A zomonas sp. ) 和假单胞菌属( Pseudomonas sp. ) 等，其中以真菌中的白腐真菌(White rotf ungi) 为主要菌属。故石油烃类降解采用堆肥化生物修复技术，同时创造良好的微生物生长繁殖条件，必要时接种对石油类污染物具有良好降解特性的微生物能起到事半功倍的效果。
2 　堆肥中有机污染物微生物降解的研究方向
高效降解微生物的分离培养。利用堆制原料中的土著微生物降解有机污染物处理时间较长，需要数十天甚至百余天。现代堆制研究中则常采用接种特种微生物的方法来缩短微生物适应期限，以提高有机污染物的生物降解速率。Mcfarland 等在实验中接种了10 %的白腐真菌处理被石油污染的土壤，堆制30d 后接种过的苯并芘去除率可达1.58mg/ kg•d ，远大于对照中的最大去除率0173mg/ kg•d。国内关于高温堆肥中微生物对有机污染物的降解大多集中在利用土著微生物研究污染物的可降解性方面，如陈勇等利用已分离的细菌和白腐真菌研究其对堆肥中多环芳烃的降解表明，白腐真菌降解效果较佳。张文娟等用实验室模拟方法，研究了堆肥处理对污染土壤中4～6 环芳烃的降解结果表明，其去除率顺序为荧蒽> 苯并蒽> 苯并芘> 苯并荧蒽> 苯异荧蒽，且随污染负荷增加，高浓度污染物对微生物产生极大毒害作用，也会抑制微生物对污染物的降解。研究发现混合培养菌的降解效果明显高于单株培养菌，这种具有协同降解作用的微生物群称为同生菌群(Consortia) 。但目前对于具有协同关系的菌株的筛选和组合还是1 个随机过程，其协同作用机制尚待进一步研究。Biot rol 公司使用明尼苏达大学的专利技术，用以黄杆菌( Flavobacterium ) 为主的同生菌作为强化菌剂，成功处理了被五氯酚钠(PCP) 污染的土壤。故在堆肥有机污染物降解研究中，要利用微生物的共代谢作用，加强对同生菌群的分离筛选与构建方面的研究。
基因工程菌的开发。微生物育种方法主要有诱变育种、原生质体融合和基因工程，其中诱变在污染物高效降解工程研制中应用较少，以原生质体融合和基因工程技术定向较为准确，效率最高。Chakrabayty 最早采用基因工程手段，在同1 菌株中组入4 种假单胞菌的遗传基因，这些细菌分别带有CAM、OCT、SAL 和NAH 降解质粒(分别降解苯、甲苯、辛烷和樟脑) ，得到的工程菌能同时降解脂肪烃、芳烃、萜和多环芳烃，降解石油的速度快、效率高，几小时内能降解海上溢油中2/ 3 的烃类，而自然菌种则需1 年多时间[12 ] 。此后解烃抗汞质粒菌的构建、高效降解三氯苯氧基醋酸的Pseudomonas putida ACll00 的构建、降解2 种染料的脱色工程菌的构建以及同时降解二氯苯氧基醋酸和三氯苯氧基醋酸的微生物菌种的构建，为组建带有多个质粒的新菌株展示了广阔应用前景。因此构建含有目的基因，具有较强竞争力的基因工程菌( GEM) 是现代环境生物技术的主要目标之一。用于构建有机污染物生物降解基因工程菌的生物技术有降解性质粒DNA 的体外重组、质粒分子育种、原生质体融合等。表面活性剂对生物降解的强化作用。很多有机物被强烈吸附在土壤上，使用表面活性剂能促进憎水性有机物的亲水性和生物可利用性。使用合成表面活性剂时浓度要合适，浓度过高不经济，又可能抑制微生物活性；且不要在环境中引入新的化学品污染。魏得洲与Hind Johns 等分别研究表面活性剂对石油降解能力的影响表明，微生物对污染物的生物降解主要通过微生物酶的作用进行，而许多酶并不是胞外酶，污染物只有与微生物相接触，才能被微生物降解，生物表面活性剂能吸收烃类污染物，增加微生物与污染物接触几率，提高微生物降解石油的能力。Texas Research Institute ( TRI) 对表面活性剂在石油污染土壤堆肥化处理过程中的作用进行广泛研究发现，阴离子表面活性剂(Richonate2YLA) 和非离子表面活性剂(HyonicPE290)联合作用最为有效，可使80 %的石油残余物从土壤表面脱除，而研究使用的其他几种表面活性剂则形成粘性乳浊液，导致低的流动率和脱除。生物表面活性剂的应用目前尚处于试验性阶段，主要问题是如何将具有特定代谢功能的微生物接种于污染现场，并保证其能产生有效增强生物降解的生物表面活性剂。